.
Strona główna | Technika i technologieModyfikatory mas bitumicznych - ich znaczenie

Modyfikatory mas bitumicznych - ich znaczenie

Większość swoich pożądanych cech pokrycia bitumiczne zawdzięczają odpowiednim własnościom użytych mieszanek bitumicznych. Artykuł charakteryzuje cechy polimerów do modyfikowania mas bitumicznych oraz omawia ich zastosowanie i przydatność dla materiałów pokryciowych.

Rys. 1. Przykłady rozmieszczenia podstawników w łańcuchu polimeru
a) w izomerze taktycznym,
b) w izomerze izotaktycznym,
c) w izomerze syndiotaktycznym


Większość cech pożądanych w pokryciach bitumicznych otrzymujemy dzięki dobrym własnościom użytych mieszanek bitumicznych. Najważniejszymi z nich są:
  • nieprzepuszczalność dla wody i roztworów wodnych, zarówno kwaśnych jak i zasadowych,
  • stabilność strukturalna materiału w różnych temperaturach,
  • termiczna stabilność wymiarowa,
  • mały ciężar właściwy,
  • dobra reakcja zarówno w niskich, jak i wysokich temperaturach,
  • wysoki stopień jednorodności strukturalnej.
Celem modyfikacji mas bitumicznych za pomocą polimerów jest podwyższenie temperatury przejścia mas zmodyfikowanych w stan cieczy lepkiej oraz obniżenie temperaturowej granicy utraty właściwości plastycznych i przejścia masy w stan ciała stałego.

Podobne do podobnego
Jak wiadomo, w chemii istnieje zasada, że najlepiej mieszalne są dwa składniki o podobnej do siebie strukturze chemicznej np: woda i kwasy nieorganiczne czy też woda i alkohole. Podobnie należy rozważać możliwość łączenia polimerów z masami bitumicznymi. Jedynie te wykazujące się podobnymi do asfaltów właściwościami termoplastycznymi mogą być stosowane w roli modyfikatorów.

Pierwsze próby modyfikacji mas asfaltowych przeprowadzono w pierwszej połowie XIX wieku. Początkowo do bitumu dodawano kauczuk naturalny pod postacią lateksu, siarkę i gumę, by wraz z postępem wiedzy chemicznej, dążyć do zastąpienia go polimerami syntetycznymi. Badania rozpoczęte w 1948 roku w Japonii, Stanach Zjednoczonych i we Włoszech dotyczyły jedynie chloropropenu i kopolimeru styren–butadien.

Testy nad możliwością zastosowania konkretnego polimeru jako modyfikatora prowadzone są w kierunku określenia stopnia rozpuszczenia polimeru w asfalcie (homogeniczność) w połączeniu z koniecznością zachowania jednorodności uzyskanego produktu przez długi okres czasu. Niestety mimo pełnej homogeniczności mieszanki w produkcji często zdarza się późniejsze jej rozwarstwienie podczas procesu leżakowania, co dyskwalifikuje zastosowany polimer.

Lata pracy naukowców zaowocowały wyselekcjonowaniem polimerów, których dodatek do mas bitumicznych znacznie poprawia ich właściwości. I tak, zgodnie z wytycznymi do europejskich aprobat technicznych ETAG 005 5 z marca 2000 roku z późn. zm., modyfikatorami odpowiednimi do mieszania z bitumem są:
  • APP – ataktyczny polipropylen,
  • CR – polichloropen,
  • EVA – etylenowy octan winylu,
  • PB – polibutylen,
  • SBR – styren–butadien–rubber (przypadkowy lub statystyczny),
  • SBS – styren–butadien–styren,
  • kauczuk naturalny.
Jako dodatki do wyżej wymienionych polimerów stosuje się także EPDM (termopolimer etylen–propylen–dien), EMA i EBA (kopolimer etylen–akrylan metylu/butylu), SIS (polimer styren–izopren–styren).

Modyfikowany to nie tylko wymieszany
Materiałów modyfikowanych polimerami nie należy mylić z tzw. mieszankami z dodatkiem polimerów. Mieszankę bitumiczną uznaje się za zmodyfikowaną dopiero w momencie całkowitego wymieszania i równomiernego rozmieszczenia cząsteczek polimeru względem cząsteczek bitumu, niezależnie od ilości dodanego modyfikatora. Proces ten zachodzi w homogenizatorach w przeciągu wielu godzin. W przypadku zaś mieszanek z dodatkiem polimery dodawane są bezpośrednio do mieszalnika i mieszane są wraz z mieszanką asfaltową. Przy krótkim okresie mieszania, jaki tu ma miejsce, nie jest możliwe równomierne rozmieszczenie modyfikatora w masie, a zastosowane polimery pełnią raczej funkcję wypełniającą masę bitumiczną.


Porównanie właściwości pap oksydowanych, wymieszanych z modyfikatorem i modyfikowanych

Bitumy destylowane i oksydowane
Pierwotnie stosowane jako pokrycia dachowe masy bitumiczne – bitumy destylowane – starzały się w bardzo szybkim tempie, a nie wykazywały także żadnej sprężystości, nawet przy minimalnym poziomie odkształceń. Kolejnym etapem ewolucji bitumów były bitumy oksydowane, wykazujące się lepszą wodoszczelnością niż ich poprzednicy. Jednak ich  niezaprzeczalnym mankamentem jest bardzo szybkie starzenie się pod wpływem promieniowania UV. Inną wadą jest brak odporności na niskie i wysokie temperatury: temperatura 0°C powoduje, że papa oksydowana zachowuje się jak ciało stałe, zaś w temperaturze powyżej 70°C potrafi „spłynąć” z powierzchni dachu. Trzeba zaś sobie uzmysłowić, że temperatura pod powierzchnią pokrycia z blachy czy blachodachówki w upalny dzień (temperatura powietrza rzędu 35°C) wynosi około 90°C. Poziom granicy sprężystości materiału oksydowanego plasuje się w okolicach 0,5%.

Modyfikatory
Ataktyczy polipropylen
Krokiem milowym dla producentów pap i innych pokryć bitumicznych było zastosowanie polimerów ataktycznych, szerzej znanych jako modyfikatory APP. Termoplasty te powstają w procesie polimryzacji propylenu i są produktem ubocznym (wraz z polipropylenem syndiotaktycznym) w produkcji izotaktycznego polipropylenu, używanego do produkcji opakowań. Polimeryzacja zachodzi w temperaturze około 60°C pod ciśnieniem przekraczającym 1 MPa. Największą zaletą APP jest jego zdolność przechodzenia w stan plastyczny w podwyższonej temperaturze, a następnie po ochłodzeniu, odzyskanie pierwotnych własności fizyko–chemicznych. Plastyfikatory, do których należy APP, mają zdolność wnikania między łańcuchy bitumu zmniejszając oddziaływania miedzy nimi, co prowadzi do podwyższenia giętkości jego cząsteczek. W przypadku mas modyfikowanych APP ważniejszą kwestią jest jednak jakość dodanego polimeru, a nie jego ilość. Dodanie nawet kilku procent dobrej jakości APP do masy bitumicznej powoduje poprawienie jej właściwości niż dodanie kilkudziesięcu procent polipropylenu ataktycznego zanieczyszczonego jego izomerem syndiotaktycznym.

Materiały modyfikowane tym polimerem wykazują wysoką stabilność formy, a także wysoką odporność na działanie kwasów, soli nieorganicznych oraz ozonu. Z tego względu polecane są do użytkowania na powierzchniach obiektów znajdujących się w obszarach wysokich zanieczyszczeń środowiska.

Styren–butadien–styren
Kolejnym, obecnie najczęściej stosowanym, modyfikatorem mas asfaltowych jest kauczuk syntetyczny – SBS. Kauczuk ten należy do grupy polimerów określanych mianem elastomerów. Mają one zdolność do ulegania dużym, aczkolwiek odwracalnym odkształceniom, zanikającym natychmiast po usunięciu siły zewnętrznej powodującej te zmiany. Przykładem świetnie obrazującym właściwości polimeru niech będzie doświadczenie, które wykazało, że w przypadku naprężeń rozciągających, przyłożonych w jednej osi, odkształcenie próbki może sięgać 1000%. Uzyskana w cyklu produkcyjnym mieszanka bitumiczno–polimerowa zachowuje wszystkie właściwości asfaltu i całkowicie przejmuje cechy modyfikatora.

Kolejnym, obecnie najczęściej stosowanym, modyfikatorem mas asfaltowych jest kauczuk syntetyczny – SBS. Kauczuk ten należy do grupy polimerów określanych mianem elastomerów. Mają one zdolność do ulegania dużym, aczkolwiek odwracalnym odkształceniom, zanikającym natychmiast po usunięciu siły zewnętrznej powodującej te zmiany. Przykładem świetnie obrazującym właściwości polimeru niech będzie doświadczenie, które wykazało, że w przypadku naprężeń rozciągających, przyłożonych w jednej osi, odkształcenie próbki może sięgać 1000%. Uzyskana w cyklu produkcyjnym mieszanka bitumiczno–polimerowa zachowuje wszystkie właściwości asfaltu i całkowicie przejmuje cechy modyfikatora.

Również w laboratoriach grupy Lotos prowadzano badania nad właściwościami następującej mieszanki: masa bitumiczna (asfalt D70) i SBS. Asfalt ten w postaci niezmodyfikowanej posiada temperaturę mięknienia 37°C, która po wbudowaniu w jego sieć 4% modyfikatora wzrasta do 65oC; dodatek 10–12% powoduje przesunięcie tej granicy w okolice 100°C. Niestety w temperaturze powyżej 100°C rozpoczyna się rozpadanie struktury modyfikatora, a co za tym idzie zanikają jego właściwości. Potwierdza to całkowicie założenia stosowania dokładnie takiej a nie innej ilości polimeru w technologii modyfikacji opracowanej przez Kraton Polymers.

Temperaturę płynięcia mieszanki można podwyższyć o kolejne 10– 15°C, dodając różnego rodzaju stabilizatory struktury kauczuku.

Odporność na wysokie i niskie temperatury rzędu nawet –30°C tłumaczy się blokową budową SBS. Bloki polibutadienowe (polibutadien osiąga właściwości ciała stałego w temperaturze –100°C) i polistyrenowe (temperatura zeszklenia polistyrenu wynosi +100°C) przekazują część swoich właściwości całej cząsteczce polimeru.

W Polsce najszerzej stosuje się właśnie produkty modyfikowane SBS. Szczególnie korzystne jest stosowanie pokryć bitumicznych modyfikowanych tym plastomerem na dachach budynków ulegających drganiom. Korzystne jest również ich układanie tam, gdzie połacie dachu ulegają odkształceniom czy też gdy wymagana jest ich renowacja – wtedy nie jest konieczne usuwanie poprzedniego pokrycia bitumicznego, a jedynie jego zagruntowanie.


Rys. 2. Krzywa zależności odkształcenia polimeru od temperatury.
Tkr – temperatura kruchości,
Tg – temperatura zeszklenia,
Tf – temperatura płynięcia


Amorficzne poli–alfa–olefiny
Mimo opracowania przez laboratoria wielu już technologii modyfikowania mas bitumicznych, inżynierowie nadal dążą do opracowania formuły idealnej mieszanki bitum–modyfikator. Włoscy naukowcy z General Membrane opracowali metodę modyfikacji asfaltów amorficznymi poli–?–olefinami. Podobnie jak SBS, APAO należy do grupy elastomerów termoplastycznych. Polimery te produkowane są w procesie kopolimeryzacji ?–olefin (etylenu, propenu i 1–butenu). Zachowują się jak ciało stałe,  tzn. nie mogą płynąć, lecz posiadają strukturę przestrzenną przypominającą ciecze – są tzw. ciałami amorficznymi. Procesowi modyfikacji podlega mieszanka destylowanego bitumu i plastomeru etyleno–propyleno–butenowego. Sprawia to, że uzyskany finalnie produkt łączy w sobie zarówno cechy masy modyfikowanej termoplastami, jak i elastomerami; jest on zatem elastyczny w niskich temperaturach (nawet do –35°C ), a także zachowuje pełną stabilność w wysokich temperaturach (+140°C), dzięki czemu można go stosować w każdych warunkach.

Z uwagi na specyficzny skład mieszanki, masy bitumiczne wykazują się wysoką odpornością na efekty starzenia, dzięki czemu są szczególnie polecane na powierzchnie, gdzie istotny jest końcowy efekt wizualny.

APAO do modyfikacji swoich produktów używa tylko jedna firma i proces ten jest tajemnicą technologiczną; niedostępne są również wyniki badań prowadzonych przez General Membrane.

Zakończenie
W skrócie prześledziliśmy drogę rozwoju mieszanek bitumicznych od 1823 roku, kiedy to pierwszy raz przeprowadzono modyfikację smoły za pomocą kauczuku, do czasów współczesnych, kiedy naukowcy próbują wytworzyć produkt uniwersalny. Produkt, który znajdzie swoje zastosowanie zarówno w gorącym klimacie równikowym, jak i również możliwe będzie jego stosowanie na biegunie. Zanim jednak do tego dojdzie minie zapewne kolejnych kilkadziesiąt lat.

Monika A. Tomaszewska

Bibliografia:
Praca Zbiorowa, Budownictwo Ogólne T1., Arkady, Warszawa 2005
L. Czarnecki, T. Broniewski, O. Henning, Chemia w budownictwie, Arkady, Warszawa 1996
L. Druschner, Asfalty modyfikowane w Niemczech, Nawierzchnie Asfaltowe 2/2006, Kwartalnik Polskiego Stowarzyszenia Wykonawców Nawierzchni Asfaltowych
Wytyczne do europejskich aprobat technicznych ETAG 005 część 5 z marca 2000 roku z późniejszymi zmianami
Źródła internetowe

Źródło: Dachy Płaskie, nr 1 (2) 2009

CZYTAJ WIĘCEJ

Wpływ struktury bitumu na proces modyfikacji
Papy modyfikowane
Papy bitumiczne: krycie narożników wewnętrznych i zewnętrznych



DODAJ KOMENTARZ
Wymagane: Zaloguj się aby dodać komentarz > Zaloguj się
NAJCZĘŚCIEJ CZYTANE
Odwodnienia zewnętrzne dachów o pokryciu bitumicznym Odwodnienia dachów płaskich - najczęściej popełniane błędy Trwały taras Jak dobrać papę termozgrzewalną? Bezpieczne odwadnianie awaryjne dachów płaskich przez attykę Świetliki dachowe z płyt poliwęglanowych Obciążenie śniegiem obiektów budowlanych Stropodachy płaskie na blachach fałdowych z pokryciem z tworzyw sztucznych Zwody instalacji odgromowej na dachach budynków Odporność ogniowa warstwowych przekryć dachowych Membrana dachowa Dachgam - Niezawodny materiał na dachy płaskie Kształtowanie spadków w termoizolacji dachu płaskiego Membrany hydroizolacyjne z PVC - zasady układania Płynna folia hydroizolacyjna Enkopur Sąd pod papą Zakład papy na dwa razy Zielona ściana. Nowe rozwiązanie systemowe Optigrun Tarasy i balkony. Technologia płynnych folii firmy Enke-Werk Stan przedawaryjny płyty balkonowej i projekt naprawy Jaka jest wytrzymałość dachu płaskiego i ile ona kosztuje? Architektura ogrodowa z zielonymi dachami Łączniki dachowe Mocowania na dachach płaskich zgodnie z nową normą wiatrową - Wytyczne DAFA Technologie dachów użytkowych na bazie membran epdm Podciśnieniowy system odwodnień dachów płaskich Ocieplenie stropodachu bez mostków termicznych Innowacyjna powłoka ochronno-dekoracyjna na balkony i tarasy Enketop Bezpieczeństwo pożarowe przekryć dachowych Hydroizolacja stropu garażu podziemnego Wykrywanie nieszczelności dachów płaskich